用可穿戴设备收集能源的有趣方式

非常规纺织业虽已稳固发展50余年，但用纺织物收集能量领域尚处方兴未艾，所以该领域商业化还未达到可精细量化的程度，用纤维材料来收集与储存能量的技术尚未成熟，可穿戴设备也是如此。然而，这一融合技术却蕴藏着巨大的发展潜力，这不仅是因为用身上穿的衣物可自动收集能源，而且还是因为可解决诸多实际问题。

“双交叉”技术与人口增长和能源需求

该新兴领域收集能源的潜力虽然还不能与现有的初级或次级能源需求相提并论，但这对传统纺织产业的复苏和发展有着重大意义。在纺织科学界，新兴领域的出现为多学科协作研究提供了数不胜数的机会。

瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员发现，只需做一点新的小调整，便能使有机电子产品的效能提高一倍。有机发光二极管显示器、塑料太阳能电池以及生物电子产品也都能从其自身的新发现中获益，而上述发明的相似之处就在于，都涉及到“双交叉”的聚合物技术。该理念由安德烈亚斯·达林副教授提出，即用于提升可弯曲电子纸的变换速率。

全球人口增长和能源需求越来越大，这是影响人们对可穿戴设备和能量收集柔性材料需求及其发展的两大主要因素。联合国提供的数据显示，到2050年，全球人口预计将达到97亿。印度人口会在2030年超越中国，成为世界第一人口大国。届时人们对食物和燃料的需求会大大增加，这将为汽车与纺织业结合的行业提供发展基础与方向，也促进纺织业在推出颠覆性发明的同时继续稳步推进。

据经合组织估计，全球仍有20%的人口无电可用。这凸显出对基础设施建设和研究进行投资的需要，然而这项投资总额可能高达46万亿美元。随着人口的增长，在2050年能源消耗将上升80%。而柔性聚合物和纺织物的“双交叉”技术在缓解化石能源压力上做出应有的贡献。

可穿戴设备与能源收集

在能源需求量巨大的科技发达国家，其实验室如美国国家可再生能源实验室都有扎实的研究基础，作为能源生态系统，它有利于开展“关乎使命”的研究，以开发具有成本效益和适用性的能量收集装置。有趣的是，现有的能源消耗两大来源仍然是石油（占比37%）与天然气（占比31%），而此类自然资源十分有限。数据有力地表明，高级纺织品在提高能源需求和促进能源需求多样化方面蕴含着巨大的潜力。

世界大国都迫切需要对其棉纤维产业和纺织品产业进行多样化改革。美国种植的80%棉花都出口到别国，而在贸易过程中出现的插曲，如中美贸易战又或使印度纺纱产能过剩，导致其棉纱出口呈低迷态势，因此带来的连锁反应迫使纺织服装工业部门度日如年。

“双交叉”技术可改进柔性有机太阳能蓄电池的光能收集效率。该蓄电池由埃匹斯光能公司（Epishine AB）提供。一般来说，人们将电子晶片、集成电路芯片或功能化学制剂这类配备有功能组件的柔性纤维纺织物称之为可穿戴纺织科技设备。因此通过将身体热量或外部能源转换为机械力和热力，从而形成可生成或收集和储存能量的纺织结构被归类为“可穿戴设备”。

可穿戴设备行业处于方兴未艾时期，或许目前还无法取得有效的量化数据。但这些产品被归到了囊括更广的“智能纺织品”领域。众多市场研究机构的调查表明，到2025年，全球这一领域的产值有望达到1000亿美元。

纺织品早期在储能领域的成功源于无纺电池隔膜的研发。将阴阳两极分离并允许离子自由流动的玻璃纤维基无纺布便是一个很好的例子。电池隔膜为无纺布开辟了一大广阔市场。据霍林斯沃思公司称，隔膜所使用的材料（如人造纤维和有机纤维或玻璃纤维混合物）取决于其所适用的电池类型（如铅酸或锂离子）。

电子嵌入式纺织品为时尚设计师与纺织设计师们提供了许多大显身手的机会。宝琳·范东恩推出了“太阳能派克大衣”，即利用将太阳光线转化为电能的原理，可在两个小时内为智能手机充满电。为进一步发展电子嵌入式纺织品，设计师与终端用户业界进行着不懈的努力。

早在20年前，美国佐治亚理工学院教授桑德里森·加亚拉曼将计算机概念与纺织品相结合，研发出“智能衬衫”，这是世界上第一批可穿戴主板及纺织品行业中最早涉足柔性可穿戴设备概念研究的产品。经过这些年的发展，该设备早已进化成为可水洗且耐用的可穿戴设备。

从人体运动中采集能源的新型材料

世界上有4种柔性聚偏氟乙烯聚合膜，因其具有柔性而被制作成运动服，据称这种面料穿在身上人均可形成112.2毫瓦的电能并将其储存至穿戴式超级电容织品内。压电材料外形对称，由数个晶体元件组成。该材料遇机械变动（弯曲）时，其内晶胞失衡，进而产生表面电荷。若将电荷从该类材料的表面移除，就必须将其再次折弯最终形成交差电荷。反向压电以相同方法通过电流使其内晶胞失衡，即能实现这一目标。

聚偏氟乙烯是所有聚合物中压电特性最强的物质。它是一种含有线性聚合物链[CF2—CH2]的热塑性氟聚合物，通常由熔融纺丝或溶液纺丝制成，并可加工为纤维和薄膜。聚偏氟乙烯具有生物适应性和高度的耐化学性。但其单体内存在的两类负电性氟使其兼具铁电、热释电、压电性能。在聚偏氟乙烯的四类相中，只有显示压电特性的β相通常是由α相经冷却或电场转化而来。为测量电容器的电压以及产生的电流，将柔性聚偏氟乙烯聚合膜以各种角度（10, 40, 55, 70）在不同频率（1赫兹，1.5赫兹， 2赫兹，2.5赫兹）之下弯折。数据需在受控环境下，免受声音、气流、水珠及触碰的干扰，因为以上因素均会影响聚偏氟乙烯的振动。

聚偏氟乙烯薄膜触感柔软，且仅需使用简易的高粘性密封剂，便可轻松置入纺织品内，故最宜用于收集人体运动能量。该物质抗腐蚀性强，可抵抗近乎所有化学物质（例如酸和碱）的腐蚀，且响应时间短于100次/秒。它实际上可减缓产品老化，能承受100万次0～200千帕的压力循环。该物质还具有热电性，在周围温度变化时会释放电量，极适合应用于各类环境。除此之外，聚偏氟乙烯在弯力作用下面积就越小，条带长度就越短，其产生的电流反而越强。该特性恰好使聚偏氟乙烯适合应用于人体，并且不会造成人体不适。

薄膜与纺织物拼贴而成的横截面光学图像表明，可通过高粘性密封剂以肩带、间隔织物等各种形式将聚偏氟乙烯附于或融入纺织物。就运动服整体拼接而言，需采用可更好维持服装质量与舒适度的技术，并辅以密封剂，对其各部分进行拼接，但因缝制工艺可能有损成衣的质量。此外，热粘合技术也会改变聚偏氟乙烯的性能。现已证实，聚偏氟乙烯薄膜可在人体行走时产生的肩关节弯曲、膝关节与肘关节的运动中产生平均112.2毫瓦的电能，这远高于如今能产生40毫瓦电能的背包式叠层悬臂（功率为16微瓦）与压电陶瓷悬臂（功率为10微瓦）的常规产品。

多样化研发助推纺织与能源技术融合

美国纺织化学师与印染师协会（AATCC）在制定可穿戴电子纺织品标准方面发挥着重要的作用。这使该行业未来能开发出具有确定质量基准的新型可穿戴设备，从而为中小型企业提供新机会。

人们希望纺织品能够既实用又耐洗，相应的对策便是将功能电子元件缩小，因此该需求可促进纺织品纳米系统的开发。早在2005年，美国佐治亚理工学院王中林教授提出“纳米自供电系统”的概念，即纳米可从外界发电为电池充电。他通过构造杂交细胞的方式对其进行深入阐述，这一概念使利用太阳能、化学和机械方式收集能量变为可能。近日，美国普渡大学研究人员利用化学方法，在纺织品中嵌入摩擦发电机，研发出自供电电子纺织品，这类纺织品由于添加了氟化配方而具有疏水性。

使用生物分子（如蛋白质）以研发可耦合于纺织物之上的能量收集设备也已成为大势所趋。近日，美国得州A&M大学研究人员研发出一种电极，其使用的合成材料就由炭黑和多肽制成。

20年来，可穿戴设备从使用大型电子组件到纳米发电机，已走过了一段征程。而最近科学家正设想在可穿戴设备中应用生物技术。在纺织产业领域尝试上述研发有利于促进该行业向纵深发展，同时以电子设备与基因重组技术研发可穿戴能量收集器将缩短可穿戴设备和用服装收集电能的智能化研发进程。

从行业角度来看，纺织材料应用于前沿领域的方面越来越多，它不仅改善着人们的生活，还拯救了环境，因此这就意味着，用纺织品收集能源具有广阔的发展前景。

（据美国高级纺织资源网https://advancedtextilessource.com/2019/08/26/textiles-and-energy-technologies-for-the-future/与孟加拉国《今日纺织》https://www.textiletoday.com.bd/energy-harvesting-human-body-movement-walking-integratingpiezoelectric-pvdf-film-garment/近期资料）